N-3.3 电容式传感器1

3.3电容式传感器3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器3.3.1电容式传感器的工作原理1.工作原理及类型2.变面积型电容传感器3.变介电常数型电容传感器4.变极距型电容式传感器什么是电容器？电容器有两个用介质（固体、液体或气体）或真空隔开的电导体构成。电容导体上的电荷导体之间的电压差QCV1.工作原理0rSSCddS——极板相对覆盖面积；d——极板间距离；εr——相对介电常数；ε0——真空介电常数（8.85pF/m）；ε——电容极板间介质的介电常数。δSε等位环结构边缘电场均匀电场3321带有等位环的平板电容传感器原理1、2－电极3－等位环变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε)型:（i）～(l)4.变极距型电容传感器dsCr00200001)1(1ddddCddCddsCCCr非线性关系若△d/d1时，则式（3.3.3）可简化为ddCCC00若极距缩小△d最大位移应小于间距的1/10差动式改善其非线性初始电容2.变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为0000()rrraxbCCCdabxbdd△C与△x间呈线性关系电容式角位移传感器0000dsCr0000(1)(1)rsCCd当θ=0时当θ≠0时传感器电容量C与角位移θ间呈线性关系，但如果输出是，则是非线性关系。01XjC3.变介电常数型电容式传感器dDhCdDhdDHdDhHdDhCln)(2ln)(2ln2ln)(2ln21011dDHCln20初始电容电容式液位传感器电容与液位的关系为：02010021)(dLLLbCCCrr当L=0时，传感器的初始电容0000000100dbLdbLCr当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为02000)1(LLCCCCCr电容变化量与电介质移动量L呈线性关系3.3.2电容式传感器主要性能1.静态灵敏度被测量缓慢变化时传感器电容变化量与引起其变化的被测量变化之比2.非线性平板式变面积型b△aa0SabCdd0aabababaCCddda0gCCbkaadbdkg减小d、增大b、采用差动结构可提高灵敏度变极距型，其静态灵敏度为01()1/gCCkdddd/1dd将上式展开成泰勒级数得23401gCddddkddddddkg但d过小易导致电容器击穿(空气的击穿电压为3kv/mm)在极间加一层云母片(击穿电压103kv/mm)或塑料膜来改善电容器耐压性能差动结构也可提高灵敏度2.非线性变极距型0011/ddCCCdddddd/1dd将上式展开成泰勒级数得2301ddddCCdddd/1dd0(/)CCddd取值不能大，否则将降低灵敏度11(~)0.01~0.9105ddmmm采用差动形式，并取两电容之差为输出量24021dddCCddd差动式的非线性得到了很大的改善，灵敏度也提高了一倍如果采用容抗作为电容式传感器输出量XCC1/()11cXdCSdd被测量与d成线性关系无需满足3.3电容式传感器3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器3.3.4电容式传感器等效电路L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感；r由引线电阻、极板电阻和金属支架电阻组成；C0为传感器本身的电容Cp为引线电缆、所接测量电路及极板与外界所形成的总寄生电容Rg是极间等效漏电阻极板间的漏电损耗和介质损耗、极板与外界间的漏电损耗和介质损耗rC0CPRgL低频等效电路传感器电容的阻抗非常大，L和r的影响可忽略等效电容C=C0+Cp，等效电阻Re≈RgCRg高频等效电路电容的阻抗变小，L和r的影响不可忽略，漏电的影响可忽略，其中C=C0+Cp，而re≈rreCLRCjLjCje11LCCCe21由于电容传感器电容量一般都很小，电源频率即使采用几兆赫，容抗仍很大，而R很小可以忽略，因此此时电容传感器的等效灵敏度为2222)1()1/(LCkdLCCdCkgee当电容式传感器的供电电源频率较高时，传感器的灵敏度由kg变为ke，ke与传感器的固有电感（包括电缆电感）有关，且随ω变化而变化。3.3电容式传感器3.3.1电容式传感器的工作原理3.3.2电容式传感器主要性能3.3.3电容式传感器的特点和设计要点3.3.4电容式传感器等效电路3.3.5电容式传感器测量电路3.3.6电容式传感器的应用3.3.7容栅式传感器3.3.5电容式传感器测量电路(1)电桥电路(2)运算放大器电路(3)脉宽调制电路(4)调频电路(5)双T型电桥电路传感器原理与应用——第三章2.运算放大器电路运算放大器测量电路CxC0-AUUSCIiIxIxixxiiIICjIUCjIU00Cx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：）（20300xiCCUU传感器原理与应用——第三章若传感器是一平行板电容，则：得：SCUUi00可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离δ成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。上式是在运算放大器的放大倍数和输入阻抗无限大的条件下得出的，实际上该测量电路仍然存在一定的非线性。传感器原理与应用——第三章3.二极管双T形电路二极管双T形电路(a)C2C1UERLR1R2i1i2++若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE，电容C2的电压初始值为UE，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL的放电电流为i2，流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++传感器原理与应用——第三章(b)UE+i2R1R2C1C2RL+i1在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i1向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL放电，流过RL的放电电流为i2。流过RL的总电流iL为i1和i2的代数和。Ｕ0-R2R1RLC2C1D1D2iC1iC2+±UE++传感器原理与应用——第三章利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。C1、C2为差动式传感器的两个电容；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。图差动脉冲调宽电路R2D1D2ABR1C1C2U0FUrG+-+-QQRS双稳态触发器A2A14、差动脉宽调制电路传感器原理与应用——第三章tuAuBuABUFUGUrUrU1-U100000U1U1T1T2ttttuAuBuABUFUGUrUr-U1U1T100000T2U1U1ttttt差动脉冲调宽电路各点电压波形图传感器原理与应用——第三章根据电路知识可知：12121211UTTTUUTTTUBA，UA、UB—A点和B点的矩形脉冲的直流分量；T1、T2—分别为C1和C2的充电时间；U1—触发器输出的高电位。lnln1122211111rrUUUCRTUUUCRTC1、C2的充电时间T1、T2为：传感器原理与应用——第三章A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差12121121212110UTTTTUTTTUTTTUUUBA设R1＝R2＝R，则121210UCCCCU说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。传感器原理与应用——第三章对于差动式变极距型电容传感器：UddU100对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为ΔS，则滤波器输出为：USSU100传感器原理与应用——第三章可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。传感器原理与应用——第三章5、调频电路L)CCC(fc01021）（32321010LCCCCfffcLCf21cCCCC01振荡回路固有电容传感器电容引线分布电容调频式测量电路原理框图CxΔf振荡器ΔuΔf限幅放大器ΔuL鉴频器传感器原理与应用——第三章3.3电容式传感器的特点及设计与应用中存在的问题3.3.1电容传感器的特点1．电容式传感器的优点（1）温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小)影响甚微。传感器原理与应用——第三章（2）结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。传感器原理与应用——第三章3．动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。传感器原理与应用——第三章4．可以实现非接触测量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。传感器原理与应用——第三章电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。传感器原理与应用——第三章2.电容式传感器的缺点(1)输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106～108Ω。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。传感器原理与应用——第三章容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十MΩ以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低